基于太陽能高效利用的內蒙古西部超低能耗草原民居構建

金國輝，陳偉

(1.內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.西部綠色建筑國家重點實驗室，西安建筑科技大學，陜西 西安 710043；3.中建三局西北公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730000)

低能耗、超低能耗甚至零能耗住宅是未來建筑發(fā)展的趨勢。內蒙古西部地區(qū)因獨特的地理優(yōu)勢擁有豐富的太陽能資源，但當地居民未能將太陽能有效地利用，現有草原民居存在圍護結構差，采暖能耗高，室內熱環(huán)境差并造成大量污染等問題，所以，高效地利用太陽能來構建超低能耗草原民居，對能源的可持續(xù)發(fā)展和推進農牧區(qū)的綠色發(fā)展建具有極其重要的意義。

在太陽能的高效利用與超低能耗建筑方面，許多學者做了大量的研究。Fabrizio Ascione等[1]研究了意大利南部貝內文托市的一座超低能耗建筑，提出了四種不同空調方案性能參數的測量方案。Li Ji等[2]將建筑環(huán)境、供暖系統和可再生能源利用等影響因素綜合分析，在此基礎上提出一種超低能耗建筑的性能化設計方法，并分析了相關案例的設計過程，設計出案例中超低能耗建筑的優(yōu)化方案。Wang Z等[3]根據德國被動房標準建造了被動式建筑，與普通建筑相比，被動式建筑室內溫度波動比較小，通風系統可以明顯的改善室內環(huán)境，德國被動式標準適合于中國的嚴寒地區(qū)。Huang Pei等[4]提出一種用于分析超低能耗建筑的縱向性能的方法，并提出用兩階段方法來確定建筑的尺寸，結果表明，由于組件退化的影響，超低能耗建筑可能會在運行幾年后無法滿足要求。張宏等[5]以江蘇省超低能耗示范工程溧水孔家村為民服務中心作為案例，從建筑設計全生命周期中總結和提煉出農村用超低能耗建筑的設計和技術要點。潘黎等[6]對上海超低能耗辦公建筑的圍護結構進行了研究，以夏季空調為主、兼顧冬季供暖，確定了建筑全年冷/熱/總負荷隨圍護結構性能參數水平的變化趨勢。曹森[7]著眼于建筑設計的基本問題，在被動式超低能耗導向下，將一般性公共建筑設計作為研究對象，分析影響建筑設計的關聯因素，使得建筑系統能夠高效利用環(huán)境資源，提升自身對環(huán)境的調節(jié)緩沖能力。郭釗[8]結合鄭州地區(qū)氣候條件,以建筑能耗模擬軟件Design Builder作為研究工具，得出室外氣候適宜時配合自然通風可進一步降低建筑能耗。崔寶霞等[9]對內蒙古河套地區(qū)建筑的外窗做了節(jié)能分析，以窗框的材料及窗戶玻璃的材質為研究對象，通過逆向建模的方法得出各朝向窗墻比對該地區(qū)太陽能利用的影響大小。牛艷[10]以充分利用太陽能的理念對昆明地區(qū)進行了采暖設計，以搭建的太陽能采暖實驗房作為研究對象，利用散熱器加熱，最后進行了實測實驗跟數值模擬，為昆明地區(qū)的太陽能采暖提供了數據支持和工程參考。宣慶東[11]將太陽能利用系統與建筑外部結構結合，提出聚光條件下的太陽能綜合利用系統，此系統能夠實現將大部分入射的太陽輻射能量聚集到光伏電池上輸出電能，更好地緩解建筑能耗的壓力，提高能源的綜合利用效率，促進太陽能利用技術在建筑上的推廣。楊坤[12]對拉薩市多層住宅優(yōu)先利用太陽能技術進行研究，并對設計的節(jié)能效果進行數據驗證,從而得出適合拉薩當地的太陽能建筑設計模式。陶進等[13]對吉林城建學院超低能耗建筑做了多方面詳細介紹，為我國嚴寒地區(qū)超低能耗建筑的構建提供了借鑒與參考。王楊洋等[14]研究了嚴寒地區(qū)超低能耗建筑的聯合供能系統，在采暖期內進行測試分析，表明采用太陽能和地熱能組合為建筑供能是可行的，為嚴寒地區(qū)太陽能-地熱能聯合供能系統的應用提供了參考。蔣婧等[15]提出兼顧被動有效得熱和主動系統非連續(xù)供熱的太陽能采暖有效保證率，與傳統太陽能保證率對比，不同建筑熱需求下，不僅采暖保證率有很大程度的提升，能源利用率也有提升。王盼盼[16]對寒冷地區(qū)超低能耗建筑圍護結構設計做了研究，通過對建筑的能耗分析，對墻面、屋面、樓地面等圍護結構提出相應的節(jié)能設計措施，為嚴寒地區(qū)超低能耗建筑圍護結構的構建提供了參考。綜上所述，內蒙古西部地區(qū)超低能耗民居的研究較少，因此，本研究基于太陽能的高效利用構建內蒙古西部超低能耗草原民居，以期為該地區(qū)超低能耗住宅的設計構建提供參考。

1 材料和方法

1.1 典型草原民居模型的建立

對內蒙古西部典型民居進行實地測量及考察，典型民居為單層磚混結構，南北朝向，層高3.6 m，三開間，建筑面積 70.56 m2(圖1)。東側為主臥室，結構尺寸為 3.8 m×6.3 m；西側為次臥室，結構尺寸為 3.8 m×4.0 m；中間為客廳和廚房，結構尺寸分別為3.6 m×4.0 m 和3.6 m×2.3 m；次臥北面為儲藏室，尺寸為 3.8 m×2.3 m，無陽光間設置。依據建筑實際布局與構造，構建典型民居的數值分析模型，各個圍護結構構造如表1所示。

圖1 初始典型民居平面圖

表1 圍護結構參數設定

民居圍護結構構造簡單，外墻跟內墻均無保溫層設置，室內熱量容易通過圍護結構傳熱而散發(fā)到室外，造成房間保溫性能差。

1.2 太陽能供暖系統的建立

內蒙古西部草原民居現有的供暖方式為傳統的煤爐、土暖氣、火墻和連炕灶為主，采暖效率低，大量燃燒石化能源的同時產生有毒害氣體，嚴重影響了當地居民的身體健康和室內空氣的質量。利用當地豐富的太陽能資源，結合當地獨具民族特色的火炕，構建太陽能供暖系統(圖2)。

圖2 太陽能熱水循環(huán)供熱系統

在草原民居的坡屋頂上安裝太陽能電池板和太陽能集熱器，太陽能電池板將太陽能轉換為電能儲存在蓄電池組中供循環(huán)水泵及輔助加熱鍋爐使用，經集熱器加熱后的水，通過循環(huán)水泵流入儲熱水箱及恒溫水箱后再的再別進入房間內的散熱器和水暖炕的盤管進行供暖。散熱器和水暖炕的回水通過回水管道進入輔助加熱鍋爐，經輔助加熱鍋爐加熱后流入恒溫水箱，如此循環(huán)。控制器對太陽能電池板產生的電能、溫度傳感器、循環(huán)水泵、電磁閥、輔助加熱鍋爐進行調控。

1.3 附加被動式陽光間構建與朝向優(yōu)化

附加被動式陽光間以充分利用太陽輻射為目標，在民居建筑南向的外墻上增加一個主要由玻璃組成的圍護結構空間，形成玻璃溫室(圖3)。附加被動式陽光間采用 6 mm 高透光 Low-e 玻璃+12 氬氣+6 mm 透明玻璃，窗框為多鋁合金型材。在冬季，白天陽光充足的時候，太陽輻射的熱量儲存在陽光間中，通過與房屋南向主體圍護結構之間的熱對流來對房間主體進行加熱。

圖3 附加被動式陽光間系統圖

合理的建筑朝向有利于冬季用太陽輻射采暖，應使建筑南向處于冬季太陽輻射最佳位置。選取建筑朝向為南偏西35°～南偏東35°的區(qū)域，以5°的變動幅度進行分析。利用DeST-h室內熱環(huán)境模擬軟件，通過變化建筑朝向參數，得出冬季最冷日室內溫度均值(圖4)。

圖4 最冷日民居不同朝向室內溫度均值變化曲線

隨著建筑朝向從南偏西35°逐漸變化到南偏東35°，主臥、次臥及客廳的室內溫度均值都呈現先穩(wěn)步增長后趨于穩(wěn)定或微弱降低的趨勢。當建筑朝向為南偏西35°時，主臥室、次臥室和客廳的溫度均值最低，分別為-7.3、-6.4和-6.3 ℃；當建筑朝向為南偏東15°時，客廳的溫度均值達到最大，為-4.1 ℃，主臥室和次臥室的溫度均值開始趨于平穩(wěn)，此時溫度均值分別為-5.2和-4.3 ℃。分析原因可知，在建筑朝向逐漸變化到南偏東15°時，各個房間進入室內的陽光輻射量及強度逐漸增大，因此在南偏東15°時整個房間溫度均值達到最大或開始趨于平穩(wěn)。所以，草原民居朝向為南偏東15°時太陽能利用率最高。

1.4 圍護結構保溫層厚度的優(yōu)化

增加保溫層是北方地區(qū)常用的一種保溫方式，它增加了建筑墻體的保溫隔熱性能，減少了冬季室內熱損失量，保障了室內熱環(huán)境的穩(wěn)定。因此，在不改變外墻與屋頂材質的基礎上，對外墻和屋頂覆蓋市面上常見的聚苯乙烯泡沫板(EPS 板)，來提高草原民居建筑外墻的保溫隔熱性能。選取外墻保溫層厚度在20～220 mm，屋頂保溫層厚度10～150 mm，進行相關分析，并與典型民居無外保溫時進行對比。利用DeST-h室內熱環(huán)境模擬軟件，對不同保溫層厚度條件下建筑物進行模擬分析，得出不同外墻保溫厚度下最冷日室內溫度均值變化曲線(圖5)和不同屋頂保溫層厚度條件下最冷日室內溫度均值變化曲線(圖6)。

圖5 不同外墻保溫厚度下最冷日室內溫度均值變化曲線

圖6 不同屋頂保溫層厚度下最冷日室內溫度均值變化曲線

隨著外墻保溫層厚度增加，最冷日室內溫度均值呈現出先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢(圖5)。當無外墻保溫時，主臥室、次臥室和客廳房間溫度均值最小，分別為-5.63、-4.51和-4.44 ℃。當保溫層厚度增加到80 mm時，室內溫度提升明顯；當保溫層厚度由80 mm增加到160 mm時，室內溫度變化逐漸變慢；當保溫層厚度大于160 mm時，室內溫度開始逐漸趨于平緩，變化較小。考慮到經濟因素，外墻保溫厚度選取160 mm為宜。屋頂保溫層隨著厚度的增加，室內溫度均值呈現出先增加后平緩的趨勢，當屋頂無保溫層時，各房間室內溫度均值都為最低，當屋頂保溫層厚度增加到50 mm時，由于屋頂傳熱系數降低，使得室內溫度的最大、最小值均得到大幅提升，因此主次臥室及客廳的室內溫度均值提升明顯，當保溫層厚度超過130 mm后，室內溫度均值逐漸趨于平緩(圖6)，說明再增加屋頂保溫層厚度已不能取得更好的保溫效果。分析原因可能是因為保溫層達到一定厚度時，屋頂保溫性能提升較慢，通過墻體而散失的熱量極少，因此使得溫度提升不太明顯。因此屋頂保溫厚度應該選擇130 mm。

2 結果與分析

2.1 能耗與熱舒適度分析

利用Design-Builder能耗分析軟件分別對建立的初始草原民居模型與基于太陽能高效利用的草原民居模型進行能耗分析，根據農牧區(qū)冬季采暖標準[17]，設置當室內最低溫度為14 ℃的前提下計算草原民居在采暖期室內所需的能耗需求量(圖7)。在冬季最冷月(1月1日-1月31日)的室內平均溫度跟平均舒適度對比如圖8所示。

圖7 能耗對比

圖8 室內平均溫度跟平均舒適度對比

草原民居初始模型采暖所需能耗為12 170.73 kw·h，單位面積能耗為172.48 kw·h/m2，基于太陽能高效利用后的草原民居的采暖能耗為2 024.37 kw·h，單位面積能耗為28.69 kw·h/m2，滿足超低能耗建筑的標準[18]。兩者相比，基于太陽能高效利用的草原民居每年減少采暖能耗10 146.36 kw·h，年采暖能耗降低率為83.36%。初始草原民居冬季最冷月室內最低溫度為11.08 ℃，最高溫度為12.84 ℃，平均溫度為12.01 ℃，平均PMV值為-1.68，低于《農村牧區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中規(guī)定冬季室內采暖溫度最低值為14 ℃[17]，可見，初始的草原民居冬季室內溫度和舒適度不能滿足人體熱舒適的要求。而基于太陽能高效利用的草原民居室內最高溫度可達到21.27 ℃，最低溫度為19.98 ℃，平均溫度為20.73 ℃，平均PMV值為0.23，室內平均溫度提高了8.72 ℃，平均PMV值提高了1.91，滿足冬季室內人員采暖與舒適度的要求。

2.2 基于太陽能高效利用的超低能耗草原民居增量成本分析

相較傳統草原民居，基于太陽能高校利用的草原民居在建筑本體的被動式設計和供暖模式改變時，會產生相應的增量成本。但增加相應的增量成本時，也會由于供暖模式與圍護結構性能的改善而大幅降低建筑的采暖需求，產生增量效益。因此應該通過計算，得出增量成本和增量效益，為基于太陽能高效利用的草原民居整體構建方案的效益費用比評價提供數據基礎。太陽能供暖系統初期增量成本支出為11 193 元，系統細部構造及成本支出如表2所示；圍護結構初期增量成本支出為15 232.38元，圍護結構細部構造及成本支出如表3所示；整個基于太陽能高效利用的的草原民居初期增量成本支出為26 425.38 元。

表2 太陽能供暖系統細部構造及成本支出

表3 圍護結構構造及成本支出

考慮資金的時間價值，年利率取6%，利用利用工程經濟學的等額系列現金流量公式[19]，計算期為50年，系統中除了蓄電池組，其他壽命均按25年計，將太陽能供暖系統與圍護結構初始投資及蓄電池組更換等的支出等額折算到計算周期內，得到整個基于太陽能高效利用的草原民居每年的等效增量成本為2 066.46元。

根據旅游度假服務產品的形式分類，在線自助游分為組合產品和單品。在組合產品類型中，指通過旅行社購買只涵蓋部分度假行程的機票、酒店、門票等打包出售的產品組合。現階段，中國在線自助游組合產品以“機票＋酒店”和“酒店＋景點”形式為主。在單品類型中，在線自助游包括除交通類和住宿類預訂之外的所有在線旅游度假單品形式。此外，根據旅游度假產品的區(qū)域分類，在線自助游也可劃分為國內自助游和出境自助游。

2.3 基于太陽能高效利用的超低能耗草原民居增量效益分析

由2.1節(jié)可知基于太陽能高效利用的草原民居建成后比初始民居每年減少采暖能耗7 854.36 kw·h，根據煤電折算標準[19]，通過計算，年原煤節(jié)約量為2 704.83.kg。根據廣材網價格查詢可知，當地普通原煤的綜合價格為0.7元/kg，因此，采暖期增量效益為1 893.38元。在非采暖期時，按照典型氣象年的氣象條件計算，太陽能光伏發(fā)電板理論發(fā)電量為3 123.85 kw·h，太陽能熱水子系統吸收熱量為為3 482.69 kw·h，二者共計6 606.54 kw·h。按照當地0.43元/(kw·h)的地方民用電價價格計算，基于太陽能高效利用的草原民居年增量效益為2 840.81元。

2.4 基于太陽能高效利用的超低能耗草原民居效益費用比分析

效益費用比是指工程項目或方案在整個財務計算期內，所取得的各項財務收入的折算現值與各項支出費用折算現值之比，是經濟費用效益分析的輔助評價指標。其計算公式為：

R=B/C

式中：R為效益費用比；B為經濟效益；C為經濟費用。

當效益費用比大于1時，表明項目資源配置的經濟效率達到了可以接受的水平，該方案可行；當效益費用比小于1時，表明項目資源配置的經濟效率不可以接受，該方案不可行。2.3節(jié)計算的基于太陽能高效利用的草原民居年增量成本為2 066.46元，年增量效益為2 840.81元。根據公式計算可得，超低能耗草原民居的效益費用比為1.375，說明經濟性滿足要求，方案可以被接受。

3 討論

由于初始草原民居圍護結構較差且采用傳統的供暖模式，因此在冬季大量燃燒石化能源，造成CO2﹑SO2等有害物質的過度排放，使整個內蒙古西部地區(qū)環(huán)境遭到了嚴重的污染。根據煤電折算標準，基于太陽能高效利用的草原民居整個采暖季比初始草原民居節(jié)約原煤大約為3.8噸。據統計我國工業(yè)鍋爐每燃燒1噸煤大約產生2 620 kg的CO2，8.5 kg的SO2，7.4 kg的氮氧化物，5.5 kg的煙塵[20-21]。因此，超低能耗草原民居在整個采暖季可減少污染物CO2、SO2、氮氧化物、煙塵的排放量分別為9 956、32.3、28.12、20.9 kg。由此可知，超低能耗草原民居大大減少了有害物質的排放，對推進我國農牧區(qū)的綠色發(fā)展具有重要的意義。

4 結論

本研究以典型的初始草原民居為研究對象，以太陽能高效利用為目標，先構建太陽能供暖系統，在構建的太陽能供暖系統的基礎上對圍護結構進行優(yōu)化，最終構建超低能耗草原民居，并對基于太陽能高效利用的超低能耗草原民居進行數值模擬及綜合評價，得到以下結論：

(2)超低能耗草原民居相比傳統草原民居采暖期能耗減少10 146.36 kw·h，能耗降低率為83.36%；冬季最冷月室內平均溫度提高了8.72 ℃，平均PMV值提高了1.91；整個采暖季減少污染物CO2、SO2、氮氧化物、煙塵的排放量分別為9 956、32.3、28.12、20.9 kg，滿足冬季室內人員采暖與舒適度要求的同時推動了農牧區(qū)民居的綠色發(fā)展。

(3)超低能耗草原民居初期增量成本為2 6425.38元，年等效增量成本為2 066.46元，年增量收益為4 869.84元，效益費用比為1.375，滿足經濟性的要求。內蒙古西部超低能耗草原民居的構建為今后該地區(qū)超低能耗住宅的構建及太陽能的高效利用提供了參考。